Компьютерное моделирование и проектирование. Лабораторный практикум. Часть 2

31

numb Ft er

1 3.45e+08

Рисунок 33 - Определение граничной частоты транзистора

Таким образом, для транзистора BC109C граничная частота составила

345 МГц.

Частой ошибкой при определении значений функции в логарифмических единицах -децибелах является задание диапазона частот (в свойствах моделирования на переменном токе) от 0 Гц. Логарифмическая функция не может иметь аргументом 0, поэтому при попытке построении графика возникнет ошибка определения функции.

4 Развертка процессов во времени

Применяя моделирование на переменном токе мы легко можем построить амплитудно-частотные характеристики исследуемой цепи, однако часто необходимо знать, не только амплитуду, но и фазу электрических колебаний в разных точках схемы. Выполнить анализ работы электронной схемы во времени позволяет моделирование переходных процессов. Надо сказать, что название для этого вида моделирования выбрано неудачно. Вообще под переходными процессами принято понимать изменения, происходящие, например, при включениивыключении питания схемы, когда происходит достаточно кратковременный переход системы из одного установившегося состояния в другое. Тот вид моделирования, который в программе Qucs носит название «моделирование переходных процессов» выполняется и для установившихся процессов, когда необходимо проанализировать амплитуду и фазу тока и напряжения, периодически изменяющихся во времени.

Рассмотрим простую цепь, содержащую источник тока, резистор и конденсатор, рис. 34. Частоту источника напряжения установим 1 кГц. Определим фазовый сдвиг между действующим на конденсаторе напряжением и протекающем через него током. Установим на схеме две метки определения потенциала - до и после конденсатора. Величину емкости конденсатора зададим 1 нФ, на частоте источника сопротивление конденсатора превысит 100 кОм. Сопротивление резистора установим 50 Ом. Резистор в данном случае работает в качестве датчика тока через

32

емкость, преобразуя этот ток в сигнал напряжения, наблюдаемый в метке В. Так как падение напряжения на резисторе очень мало, можно считать, что потенциал метки А равен напряжению на конденсаторе.

Для наблюдения на одном графике сигналов напряжения сильно различающихся по амплитуде, необходимо изменить масштаб одного из них. Это сделано введением уравнения:

(6)

где B.Vt «переходное» напряжение в узле В (Изменения напряжения во времени в данной точке).

Рисунок 34 - Схема для определения фазового сдвига между переменным напряжением и током, протекающим через конденсатор

Для выполнения моделирования на рабочую область перенесен кубик соответствующего вида моделирования, в свойствах которого указана длительность моделируемого процесса - 5 миллисекунд. Результат моделирования приведен на графике рис. 35. Хорошо видно, что сдвиг фаз между напряжениями в узлах А и В составляет 90°, фаза напряжения в узле В соответствует фазе тока через конденсатор. Таким образом, график показывает, что ток в конденсаторе опережает по фазе напряжение на 90° или л/ 2 радиан.

Рисунок 35 - Относительные изменения фазы тока и напряжения на

33

конденсаторе, полученные моделированием переходного процесса

34

В следующем примере анализируются относительные изменения напряжений в базовой и коллекторной цепях биполярного транзистора. На рис. 36 показана схема моделируемой цепи. Источник постоянного тока I1 задает смещение рабочей точки. Источник переменного тока частотой 1 кГц и амплитудой 1 мкА формирует входной сигнал. В цепи коллектора транзистора установлен нагрузочный резистор 50 Ом. Вольтметры Pr1 и Pr2 фиксируют напряжение в базовой и коллекторной цепях транзистора, соответственно.

Рисунок 36 - Моделирование во времени процессов в биполярном транзисторе

На рабочую область перенесен кубик моделирования переходного процесса, в свойствах моделирования установлена его длительность: от 0 до 2 мс. Результаты анализа, измеренные вольтметрами напряжения, показаны на графиках, рис. 37. Хорошо видно, что напряжения противофазны, т.е. имеют сдвиг 180°. Использование маркеров позволяет выполнять измерения, рассчитывать амплитуду напряжений, значение напряжения в рабочей точке для входной и выходной цепи, сдвиг фаз, коэффициент усиления транзистора по напряжению и других параметров с высокой точностью.

Рисунок 37 - Графики изменения во времени напряжения в цепи базы и коллектора

35

Кроме того, графики абсолютно прозрачны, а ось ординат может выводиться как справа, так и слева, по выбору, поэтому мы легко можем совместить оба графика для более наглядной их демонстрации, рис. 38.

Рисунок 38 - Совмещение двух графиков с разными масштабами по осям ординат

36

Лабораторная работа 1. Исследование характеристик и параметров биполярного транзистора

1.1 Введение

Цель работы:

-познакомиться с программой Qucs, научиться строить схемы в рабочей области программы, изменять параметры элементов, выбирать виды моделирования, записывать уравнения в блоке вычислений;

-снять статические характеристики биполярного транзистора и научиться обеспечивать положение рабочей точки транзистора при различных схемах питания.

1.2 Контрольные вопросы

1.Что называется входной характеристикой биполярного транзистора?

2.Как зависит входная проводимость (входное сопротивление) биполярного транзистора от режима его работы, который характеризуется, например, постоянной составляющей тока коллектора?

3.В какой из схем (питание фиксированным током базы или коллекторной стабилизации) сопротивление в цепи базы будет больше, если напряжение источника питания и режим работы транзистора одинаковы?

4.Каково назначение делителя в цепи базы биполярного транзистора, и какие соображения принимаются во внимание при выборе его элементов?

5.Каким будет напряжение питания в схеме питания фиксированным током базы, если ток коллектора в точке покоя равен 5 мА, напряжение на коллекторе 4 В и сопротивление в цепи коллектора 1 кОм? Как изменится напряжение питания, если добавить в цепь эмиттера сопротивление, на котором будет падать напряжение 3 В?

6.Как изменится напряжение на коллекторе по отношению к эмиттеру, если при неизменном напряжении питания в схеме с питанием фиксированным током базы сопротивление в цепи коллектора увеличить вдвое?

1.3Порядок выполнения работы

1.Изучите описание программы Qucs.

2.Научитесь «собирать» схемы в графическом интерфейсе программы. Для этого соберите схему каскада на биполярном транзисторе при питании фиксированным током базы. При необходимости, подключите измерительные приборы. Режим работы приборов определяется выбранным видом моделирования и не требует специальной настройки, но результаты измерений видны только на диаграммах.

37

3. Ознакомьтесь с параметрами модели биполярного транзистора, с которым вам предстоит выполнять работу в соответствии с полученным вариантом задания:

Вариант	Транзистор
1.	2DC4617R
2.	2N2219A
3.	2N2222
4.	2N2905A
5.	2N2907
6.	2N2955
7.	2N3019
8.	2N3055
9.	2N3501
10.	2N3507
11.	2N3904
12.	2N3905
13.	2N3906
14.	2N4402
15.	2N4403
16.	2SA1213
17.	BC237BP
18.	BC549
19.	BF720
20.	MMBTH10

Посмотрите, чем отличаются параметры заданной модели от параметров идеального транзистора.

4. Снимите входную Iб = f (Uб) и проходную Iк = f (Uб) статические характеристики

заданного биполярного транзистора. Для этого целесообразно использовать отдельные источники питания для коллекторной и базовой цепей (в базовой цепи рекомендуется использовать источник постоянного тока - см. Рис. 1.1).

Характеристики снимите при фиксированном напряжении на коллекторе 5 В. Целесообразные значения тока коллектора 0,5 - 15 мА. С учетом этого выбираются значения тока источника в цепи базы. Используйте режим моделирования на постоянном токе с разверткой параметра. В качестве изменяемого параметра выступает ток источника в цепи базы. Для определения напряжения базы установите в схему

вольтметр. Используйте блок вычислений и функцию PlotVsO для

получения требуемых зависимостей. Постройте диаграмму табличного вида 1.1:

38

Таблица 1.1. Статические характеристики транзистора Условия измерения: Uк = 5 В.

I б, мкА

1 к , мА

U б, В

Постройте характеристики I б = f (U б) и I к = f (U б) в тетради для дальнейшего использования.

Входная характеристика транзистора Iб = f (Uб)

Проходная характеристика транзистора Iк = f (Uб)

5. Выберите на входной характеристике положение рабочей точки и обеспечьте этот же режим работы транзистора в трех схемах с разными способами базового смещения:

5.1 В схеме питания с фиксированным током базы, рис. 1.2.

Чтобы режим работы транзистора не изменился, когда в его коллекторной цепи появилась нагрузка, необходимо увеличить напряжение источника питания. На коллекторном резисторе должно происходить такое падение напряжения, чтобы потенциал коллектора не изменился по сравнению с режимом снятия статических характеристик. При этом ток коллектора должен быть равен току в рабочей точке:

39

U пит = U к 0 + R1, I к 0.

Рисунок 1.2 - Схема смещения фиксированным током базы

При расчете величины базового сопротивления, учтите, что на нем происходит полное падение напряжения источника питания, за исключением напряжения на базовом p-n переходе, равное напряжению в выбранной рабочей точке. Ток базы равен току в рабочей точке:

R= Uпит -Uб0

бIб0

5.2.В схеме коллекторной стабилизации, рис. 1.3.

Рисунок 1.3 - Схема смещения транзистора с коллекторной стабилизацией

В этой схеме питание базового резистора осуществляется напряжением, равным напряжению коллектора, это необходимо учесть для расчета базового резистора:

40

(1.1) 5.3. В схеме эмиттерной стабилизации, рис. 1.4.

Рисунок 1.4 - Схема смещения с базовым делителем и эмиттерной стабилизацией режима

В данной схеме в эмиттерную цепь транзистора устанавливается сопротивление, обеспечивающее стабилизацию режима работы транзистора. Через сопротивление в цепи эмиттера протекает суммарный ток коллектора и базы, поэтому сопротивление этого резистора рассчитывается по формуле:

(1.2)

Напряжением на эмиттерном резисторе необходимо задаться. Типичное значение этого напряжения 2-3 В. Эмиттерный резистор стабилизирует режим работы транзистора тем лучше, чем больше на нем напряжение, однако при увеличении напряжения на эмиттерном резисторе уменьшается допустимый диапазон изменения напряжения между эмиттером и коллектором. При работе в усилительном режиме напряжение коллектор-эмиттером не должно быть ниже 1 - 1,5 В.

Сопротивления базового делителя рассчитываются исходя из того, что ток делителя много больше тока базы. Чем больше ток базового делителя, тем надежнее фиксирован потенциал базы, однако увеличение тока через сопротивления приводит к бесполезному расходованию энергии. Поэтому обычно считается достаточным десятикратный запас по току. Задавшись током делителя в десять раз большим тока базы легко рассчитать сопротивления базового делителя, через нижнее плечо делителя протекает только ток делителя:

Через верхнее плечо - суммарный ток делителя и базы:

(1.3)